(57)【要約】      （修正有）【課題】ニッケル基合金溶接構造物の溶接金属部分のき裂進展抵抗を高め、さらに非破壊検査の欠陥検出性を向上させたレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供する。【解決手段】レーザ溶接において、２種類の集光光学系２、１２を用意し、一方の集光光学系２によるレーザ光１を溶接用として用い、他方の集光光学系１２によるレーザ光１１をパルスレーザ光として溶融池１３の攪拌用として用い、衝撃波の振動により凝固直前の溶融池１３を攪拌して柱状晶の成長を阻止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザ光を母材の溶接個所に照射し、ニッケル基合金からなる溶接金属を溶解させて母材を溶接すると共に、第２のレーザ光を母材の溶接個所に照射し、母材に形成された溶接金属の溶融池を攪拌しながら溶接することを特徴とするニッケル基合金溶接構造物のレーザ溶接方法。
【請求項２】
溶接金属の溶融池攪拌用のレーザ光がパルスレーザ光であることを特徴とする請求項１に記載のニッケル基合金溶接構造物の溶接方法。
【請求項３】
溶接金属の溶融池攪拌用のパルスレーザ光が電気光学−ＱスイッチのＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器であることを特徴とする請求項２に記載のニッケル基合金溶接構造物の溶接方法。
【請求項４】
溶接金属の溶融池攪拌用のパルスレーザ光が音響光学−ＱスイッチのＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器であることを特徴とする請求項２に記載のニッケル基合金溶接構造物の溶接方法。
【請求項５】
溶接の母材の材質がニッケル基合金であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のニッケル基合金溶接構造物の溶接方法。
【請求項６】
溶接の母材の材質がニッケル基合金とオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のニッケル基合金溶接構造物の溶接方法。
【請求項７】
溶接の母材の材質が低合金鋼とニッケル基合金或いはオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のニッケル基合金溶接構造物の溶接方法。
【請求項８】
母材の溶接部が肉盛オーバーレイであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のニッケル基合金溶接構造物の溶接方法。
【請求項９】
溶接金属が８２合金であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のニッケル基合金溶接構造物の溶接方法。
【請求項１０】
母材の溶接個所に第１のレーザ光を照射し溶接金属を溶解させて母材を溶接する第１のレーザ発振器と、母材の溶接個所に第２のレーザ光を照射し母材に形成された溶接金属の溶融池を攪拌する第２のレーザ発振器とからなるニッケル基合金溶接構造物のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば沸騰水型原子炉の炉内構造物を溶接の母材として、この母材をニッケル基合金からなる溶接金属でレーザ溶接するニッケル基合金溶接構造物のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントに設置される沸騰水型原子炉は、一般に以下のような構成となっている。  
すなわち原子炉建屋内には原子炉格納容器が設置されており、この原子炉格納容器内には原子炉圧力容器がペデスタル上に設置されている。
【０００３】
原子炉圧力容器内には炉心および冷却水が収容されており、この冷却水は炉心の下方から上方に流通する際、炉心の核反応熱を奪い昇温する。  
昇温した冷却水は蒸気と水との二相流状態になり、炉心の上方に設けられた気水分離器内に流入し水と蒸気とに分離される。
【０００４】
分離された蒸気は気水分離器の上方に設けられた蒸気乾燥器で乾燥されて乾燥蒸気となり、上記原子炉圧力容器に接続された主蒸気配管を介してタービン系に供され、タービン発電機を回転させて発電を行う。  
一方、分離された水は炉心の下方に流下して、再度炉心の下方から上方に向かって流通する。以下同様のサイクルを繰り返す。
【０００５】
上記原子炉圧力容器は、容器本体と、この容器本体の上部開口を閉塞するように設けられた蓋体と、冷却水を取水、放水する配管などから構成されている。  
上記容器本体は円筒状の胴体と、この胴体下端に接続された下鏡とから構成されている。
【０００６】
上記のような原子炉を構成する炉内構造物、接続配管セーフエンド、炉内計装管や制御棒駆動機構案内管の貫通部及び原子炉圧力容器内面の肉盛オーバーレイなどの溶接部には溶接金属としてニッケル基合金を用いたレーザ溶接方法が適用されている。  
そして、前記沸騰水型原子炉にあっては、熱応力、異常時の応力、地震時の応力などに対して安全性が強く要求され、その溶接金属の健全性を確保することが要求される。
【０００７】
図４は従来のレーザ溶接方法および装置を示す図である。従来のレーザ溶接装置は、発振出力が数ＫＷ程度の図示しないレーザ発振器と、レーザ発振器から発振されたレーザ光１を集光する集光レンズのような集光光学系２と、ニッケル基合金からなるワイヤ状の溶接金属３と、溶接金属３にシールドガス４を供給するシールドガス供給用ノズル５と、図示しないアーク溶接電源とから構成される。６は被溶接物である母材である。
【０００８】
図５は前記母材６の溶接部を拡大して示す図で、炉内構造物を構成するニッケル基合金製等の母材６ａ、６ｂの溶接箇所には開先７が形成されている。  
このようなレーザ溶接装置において、レーザ発振器から発振されたレーザ光１を集光光学系２にて集光し、母材６の溶接個所に形成された開先７内部に挿入された溶接金属３に照射する。  
溶接金属３はレーザ光１の照射により溶融され、母材６ａ、６ｂを溶接する。
【特許文献１】特開２０００−２８００８０号公報
【特許文献２】特開平８−９０２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図６は、従来のレーザ溶接方法により得られる溶接部８のミクロ組織の一例を模式的示す断面図である。図において、６ａ、６ｂは母材、９は凝固された溶接金属である。  
溶接金属３として使用されるニッケル基合金は高耐食性材料であるが、高温純水中で応力腐食割れ感受性を示すことが知られている。
【００１０】
母材６ａ、６ｂを構成する６００合金のような金属が粒状組織であるのに対し、溶接金属３である１８２合金、８２合金のようなニッケル基合金からなる溶接金属は図７に拡大して模式的に示すように、結晶ができるときに柱状になって成長する、溶接金属特有の柱状晶１０が形成され、方向性を持った組織である。
【００１１】
このような組織では、柱状晶１０に沿った方向のき裂進展に対する抵抗が小さく、しかも超音波探傷による欠陥検出性が悪く、このため熱応力、異常時の応力、地震時の応力などに対する安全性が低く、その溶接金属の健全性の確認が難しいいという課題を有している。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、原子炉圧力容器のようなニッケル基合金溶接構造物の溶接金属部分のき裂進展抵抗を高め、さらに非破壊検査の欠陥検出性を向上させたニッケル基合金溶接構造物のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、第１のレーザ光を母材の溶接個所に照射し、ニッケル基合金からなる溶接金属を溶解させて母材を溶接すると共に、第２のレーザ光を母材の溶接個所に照射し、母材に形成された溶接金属の溶融池を攪拌しながら溶接することを特徴とする。
【００１４】
請求項１０に記載の発明は、母材の溶接個所に第１のレーザ光を照射し、溶接金属を溶解させて母材を溶接する第１のレーザ発振器と、母材の溶接個所に第２のレーザ光を照射し、母材に形成された溶接金属の溶融池を攪拌する第２のレーザ発振器とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のニッケル基合金溶接構造物のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置であると、応力腐食割れによるき裂進展に対する抵抗が大きくなると共に、超音波探傷による欠陥検出性が高まり、溶接構造物としての健全性及び信頼性が向上する。  
また、それにより、原子力プラント全体の健全性及び信頼性を向上させることが可能とができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図１乃至図３を参照して説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、図４乃至図７に示す従来のレーザ溶接装置と同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態によるレーザ溶接装置は、図示しない発振出力が数ＫＷ程度の２台のレーザ発振器と、前記２台のレーザ発振器の内、第１のレーザ発振器から発振され、溶接の母材６に対してほぼ垂直に照射されるレーザ光１を集光する第１の集光光学系２と、同じく第２のレーザ発振器から発振され、母材６の同じ溶接個所に対して斜め方向から照射されるレーザ光１１を集光する第２の集光光学系１２と、ニッケル基合金からなるワイヤ状の溶接金属３と、溶接金属３にシールドガス４を供給するシールドガス供給用ノズル５と、図示しないアーク溶接電源とから構成される。  
溶接対象となる母材６の溶接箇所にはＶ形の開先７が形成される。母材６は６００合金等のニッケル基合金であり、溶接金属３は８２合金等のニッケル基合金である。
【００１８】
表１は、本発明の溶接金属３として使用される８２合金の化学組成表の一例である。
【表１】
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【００１９】
次に、本実施の形態の作用について説明する。第１のレーザ発振器から発振されたレーザ光１を集光光学系２にて集光し、母材６の溶接個所に形成された開先７内部に挿入された溶接金属３に照射する。
【００２０】
溶接金属３はレーザ光１の照射により溶融され、開先７内に溶接金属の溶融池１３が形成される。  
それと同時に、矢印Ｘで示すレーザ光１の溶接方向後方から、溶接金属３の酸化を防止するためにシールドガス４を供給する。
【００２１】
前記溶接用の第１のレーザ発振器には、例えばＹＡＧレーザを用いる。ＹＡＧレーザの溶接条件の一例を以下に示す。  
レーザ出力：１〜１０ＫＷ
溶接速度    ：３００〜１００００ｍｍ／ｍｉｎ
デューティ  ：１０〜１００％（連続波形を含む）
周波数      ：１０〜２５０Ｈｚ
レーザ用シールドガス：Ｈｅ、１０〜１００リットル／ｍｉｎ
【００２２】
なお、集光光学系に具体的には放物面ミラーのような集光ミラーを用いて良い。焦点距離は１２７ｍｍから３８１ｍｍとする。ＹＡＧレーザの代わりにＣＯ２レーザを採用しても良い。
【００２３】
本実施の形態においては、第１のレーザ発振器からのレーザ光１による母材６の溶接に合わせて、第２のパルスレーザ発振器から発振されたレーザ光１１を集光光学系１２により集光し、凝固直前の溶接金属の溶融池１３に照射する。
【００２４】
この溶融池攪拌用のレーザ光１１は、通常のパルスよりもパルス幅が短く、ピークパワーの高いＱスイッチレーザを用いる。  
例えば、Ｑスイッチにおいて、電場により屈折率が変化するような素子を使用した電気光学（ＥＯ）−Ｑスイッチレーザを使用することができる。
【００２５】
パルスレーザ光はＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波、２倍高調波もしくは３倍高調波のいずれかである。照射条件の一例を以下に示す。  
パルスエネルギー  ：  １０〜１０００ｍｊ／パルス
周波数    ：  １０〜３００Ｈｚ
溶接速度  ：  ５〜１００ｍｍ／ｓ
パルス幅  ：  ３〜２０ｎｓ
このレーザ光１１により発生した衝撃波は溶融池１３内の溶けた溶接金属に攪拌作用を与え、凝固した溶接金属において柱状晶の成長が阻止される。
【００２６】
溶接金属３の移動に合わせて、上記２種類のレーザ光照射による溶接、攪拌を行いながら溶接を進め、最終的に開先７に凝固した溶接金属が形成される。  
このような溶接方法によって形成された溶接金属３のミクロ組織の拡大図を模式的に図３に示す。図３に示すように、従来のような柱状晶の成長が阻止され、結晶粒１４の集合した粒状化した組織となっており、組織方向性が小さい。  
従って、応力腐食割れによるき裂進展に対する抵抗が大きくなると共に、超音波探傷による欠陥検出性が高まり、溶接構造物としての健全性、信頼性が向上する。
【００２７】
上記実施の形態における溶融池攪拌用のレーザ光１１のＱスイッチとして、超音波により透過率を変化させるような素子を使用した音響光学（ＡＯ）−スイッチレーザを使用するようにしても良い。
【００２８】
パルスレーザ光はＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波、２倍高調波もしくは３倍高調波のいずれかである。照射条件の一例を以下に示す。  
パルスエネルギー  ：  ５〜５０ｍｊ／パルス
周波数    ：  １〜５０ＫＨｚ
溶接速度  ：  ５〜１００ｍｍ／ｓ
パルス幅  ：  ５０〜３００ｎｓ
本実施例においても、従来のような柱状晶の成長が阻止され、結晶粒１４の集合した粒状化し、組織方向性の小さい組織が得られる。
【００２９】
さらに、本発明の溶接母材の材料としては、ニッケル基合金とオーステナイト系ステンレス鋼である場合、低合金鋼とニッケル基合金或いはオーステナイト系ステンレス鋼である場合も同様な構成により同様な効果が得られる。  
また、母材の溶接接合構造としては、突合せ溶接、隅肉溶接のいずれでも良い。  
さらにまた、本発明の溶接構造物は前期実施例のような溶接継手のみに限定されない。溶接部が肉盛オーバーレイである場合も同様な構成により上記溶接構造物が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における要部を拡大して示す断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態による溶接金属のミクロ組織を示す模式図。
【図４】従来のレーザ溶接装置を示す構成図。
【図５】従来のレーザ溶接方法における溶接継手の一例を示す断面図。
【図６】従来のレーザ溶接方法による溶接部の断面図。
【図７】従来のレーザ溶接方法による溶接金属のミクロ組織を示す模式図。
【符号の説明】
【００３１】
１…レーザ光、２…集光光学系、３…溶接金属、４…シールドガス、５…シールドガス供給用ノズル、６、６ａ、６ｂ…母材、７…開先、８…溶接部、９…凝固した溶接金属、１０…柱状晶、１１…第２のレーザ光、１２…第２の集光光学系、１３…溶融池、１４…結晶粒。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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